CN107426792A - 一种目的用户加扰的功分能量采集中继安全传输方案 - Google Patents

Abstract

本发明公开的一种目的用户加扰的功分能量采集中继安全传输方案，该方案包括：在第一时隙，中继从所有目的用户节点中选择一个信道功率增益最大的用户节点作为合法用户进行服务，剩余未被选中的目的用户均作为潜在的窃听用户，信源将有用信息发送给中继，合法用户发送加扰信号给中继，中继节点将接收到信号的部分功率用于能量采集，剩余的另一部分功率用于接收来自信源发送的有用信息和合法用户发送的加扰信号；在第二时隙，中继接收到的信号广播给信宿，所述信宿包含合法用户和潜在的窃听用户。本发明通过合理的将协作加扰技术与信能同传技术相结合，使得窃听信道的接收信噪比降低，提升了网络的安全性能，从而保障了信息的安全传输。

Description

一种目的用户加扰的功分能量采集中继安全传输方案

技术领域

本发明专利涉及无线通信和物理层安全领域，特别涉及一种目的用户加扰的功分能量采集中继安全传输方案。

背景技术

加扰技术是一项广泛应用的技术，它适用于中继网络，在中继网络里，目的用户节点发送加扰信号给中继，中继经过处理放大转发加扰信号广播至信宿 (也即目的用户)，由于目的节点已知加扰信号，故可进行消除，而窃听用户无法提前获知加扰信号信息，进而达到干扰的效果，从而提高了通信系统的安全性能。

多用户分集是一项广泛应用的技术，它利用了在无线通信环境下不同用户所处的独立衰落信道的特性。这一理念也被应用于中继网络中，该中继网络中的中继会协助信源数据，使之传输到信宿节点，这会扩大了蜂窝小区的覆盖或者提高了通信系统的吞吐量。在中继网络，为了利用多用户分集技术，要在信宿节点里机会式选取最佳的点对点信道质量即最佳的信噪比作为目的用户，这种机会式调度的方法提高了系统的性能以及分集增益。

近几年，对于无线网络中信能同传技术的研究受到了广泛关注，对于不便于大规模采用有线供能的中继网络，比如传感器网络，传统的方法是采用电池供电，但是造成后期的网络维护成本较高，需要定期更换电池或者给电池充电。无线信能同传技术显著延长了多节点网络的生命周期，鉴于此，对于采用信能同传技术的协同中继网络的研究显得十分必要。另外，在此信能同传中继网络中，同时考虑应用机会式用户选择技术，可进一步提升了网络安全性能。

为此，本发明人深入研究无线通信和物理层安全技术，提出了一种目的用户加扰的功分能量采集中继安全传输方案。

发明内容

本发明的技术目的在于提出一种目的用户加扰的功分能量采集中继安全传输方案，通过合理的将协作加扰技术与信能同传技术相结合，使得窃听信道的接收信噪比降低，提升了网络的安全性能，从而保障了信息的安全传输。

为了解决上述技术问题，本发明的技术方案如下：

一种目的用户加扰的功分能量采集中继安全传输方案，该方案应用于多用户中继网络中，所述多用户中继网络包括信源、中继以及多个目的用户节点，所有节点均为单天线，其中中继为无源节点；所述传输方案具体包括：

在第一时隙，中继从所有目的用户节点中选择一个信道功率增益最大的用户节点作为合法用户进行服务，剩余未被选中的目的用户均作为潜在的窃听用户，信源将有用信息发送给中继，合法用户发送加扰信号给中继，中继节点将接收到信号的部分功率用于能量采集，剩余的另一部分功率用于接收来自信源发送的有用信息和合法用户发送的加扰信号；

在第二时隙，中继接收到的信号经放大处理，并利用采集的所有能量将信号广播给信宿，所述信宿包含合法用户和潜在的窃听用户。

所述传输方案具体包括以下步骤：

步骤1：中继采用可变增益放大转发协议，在第一时隙中，中继从所有目的用户节点中选择一个信道功率增益最大的用户节点作为合法用户进行服务，则合法用户表示为其中U＝{U₁,...,U_M}表示为M个目的用户的集合，表示中继与信宿间信道系数；目的用户中剩余未被选中的用户均作为潜在的窃听用户，则窃听用户表示为其中表示中继与潜在窃听用户间信道系数；

信源将有用信息发送给中继，合法用户发送加扰信号给中继；

步骤2：中继采用基于功率分配的能量采集技术将接收到信号的部分功率用于能量采集，中继在第一时隙采集的能量表示为：

其中η表示进行无线能量采集时的能量转换效率因子，T表示两个时隙传输的总时长，d_SR为信源到中继的距离，d_RB为中继到所选合法用户的距离，m表示路径损耗因子，h_SR为信源至中继的信道参数，h_RB为中继至合法用户的信道参数，ρ(0＜ρ＜1)表示采集功率分配因子，P_S为信源的发送功率，P_J为加扰信号的发送功率；

并且，第一时隙中继采集的能量全部用于第二时隙的信息传输，定义信源的发送功率与加扰信号的发送功率之间的关系为P_S＝βP和P_J＝(1-β)P，其中β (β≥0)为发送功率分配因子，P(P_S+P_J＝P)为中继接收到的功率；

步骤3：在第一时隙中，中继节点将接收到信号的另一部分功率用于接收来自信源发送的有用信息和目的和合法用户发送的加扰信号，中继接收信号的表达式为：

其中X_S为单位方差信源信号，X_J为单位方差加扰信号，n_R表示单位方差的加性白高斯噪声；

步骤4：当信号用于能量采集之后，且中继处于半双工的工作模式下，中继的发送功率表示为所以中继的发送功率为

步骤5：在第二时隙中，中继将接收到的信号广播给信宿，信宿接收信号表达式为其中i为信宿节点的数量，为中继到信宿之间的距离，为中继至信宿之间的信道参数，其中采用了可变增益放大转发协议的中继，其放大因子为其中

则信宿接收信号表达式化为：

其中

表示单位方差的加性白高斯噪声；

所选合法用户已知加扰信号，故可消除，则所选合法用户的接收信号表达式为：

所选合法用户的接收信噪比为：

潜在窃听用户的接收信号表达式为：

其中为中继到潜在窃听用户之间的距离，表示中继与潜在窃听用户间信道系数，n_R和均表示单位方差的加性白高斯噪声；

则窃听用户的接收信号表达式为：

其中

窃听用户的接收信噪比为：

根据以上各式进行中继向信宿广播信号。

在所述传输方案的第二时隙中，系统的瞬时安全速率表示为C_S＝[C_B-C_ε]⁺，其中[a]⁺表示max(a,0)，则可得基于瞬时安全速率的系统安全吞吐量为τ＝(1-α)C_S；

将各个系数代入系统安全吞吐量的表达式可得：

其中γ_SR＝|h_SR|²，γ_RB＝|h_RB|²，γ_Rε＝|h_Rε|²。

基于一次瞬时信道参数环境下，所述系统安全吞吐量中安全吞吐量取得的最优值以及所对应的ρ值以及β值的计算流程如下：

第一步、初始化，其中ρ的区间为[0,1]，β的区间为[0,1]；

第二步、令Δρ＝0.001，Δβ＝0.001，左区间ρ_min＝0，β_min＝0右区间ρ_max＝1，β_max＝1，循环次数ρ_k＝0，β_k＝0，阈值ò＝0.001，带入所述系统安全吞吐量的表达式得到安全吞吐量的表达式为：

其数值微分绝对值的形式分别为和

第三步、给定变量β初始值为0.2；

第四步、当时，如果则得到ρ_min＝ρ_m；如果则得到ρ_max＝ρ_m；再令ρ_k＝ρ_k+1，得ρ＝ρ_m；

第五步、当时，如果则得到ρ_min＝ρ_m，如果则得到ρ_max＝ρ_m；再令ρ_k＝ρ_k+1，得ρ＝ρ_m；

第六步、输出：ρ、β和τ(ρ,β)。

采用上述方案后，本发明具有以下特点：

1、对于加入信能同传技术的新型网络传输系统的安全性问题，本发明提供了一种融合用户选择和加扰的信能同传中继安全传输方案，能够有效保障系统的安全传输；由于半双工中继采用信能同传技术，通过中继与其他节点之间的协作，使得窃听信道的接收信噪比降低，达到保障系统安全传输的目的；

2、本发明设计多用户中继传输网络，由于目的端存在多个用户，中继采用机会式最优用户选择方案即从多用户中选择一个信道功率增益最大的用户作为合法用户进行服务，剩余未被选中的用户都是潜在的窃听用户，从而获得多用户分集增益并提升系统的安全性能；

3、本发明考虑了采用功率分配能量采集技术以及发送功率分配问题，所以存在采集功率分配因子ρ和发送功率分配因子β的优化，故提出了一种低复杂度线性搜索算法即二分法，该算法可以简便高效地得出平均安全吞吐量的最优值。

下面结合附图和具体实施方式对本发明的技术方案进行详细说明。

附图说明

图1是本发明一种融合用户选择和加扰的信能同传中继安全传输方案应用的系统框图；

图2是本发明信息传输过程中的功率分配图；

图3是本发明系统平均安全吞吐量随中继接收到的功率P增大以及信宿数量增大时的变化曲线图。

图4是平均安全速率在不同的中继协议下随信宿的平均信噪比变化的曲线图；

图5是基于瞬时信道参数环境下通过一次二分法算法得出平均安全吞吐量的最优值与ρ＝0.5，β＝0.5得出的平均安全吞吐量的对比图；

图6是基于一次信道实现的环境下通过两次二分法算法得出的循环次数与安全吞吐量的对比图。

具体实施方式

如图1所示，是本专利提出的一种融合用户选择和加扰的信能同传中继安全传输方案相关框图。该图所示的半双工中继网络包含两个节点，分别为信源、中继以及多个信宿节点(即目的用户节点)，所有节点均为单天线，且中继为无源节点，通过能量采集为其工作供能。考虑到信源与信宿间距离较远，没有直达路径。

本发明揭示的一种目的用户加扰的功分能量采集中继安全传输方案，该方案中信息的整个安全传输过程分为两个时隙完成，在第一时隙，中继从多个目的用户中选择一个信道功率增益最大的目的用户作为合法用户进行服务，剩余未被选中的目的用户都是潜在的窃听用户，信源将有用信息发送给中继，所选目的用户发送加扰信号给中继，中继节点将接收到信号的部分功率用于能量采集，剩余的另一部分功率用于接收来自信源发送的有用信息和所选合法用户发送的加扰信号，能量分配参见图2；在第二时隙，中继将接收到的信号(包括有用信号和加扰信号)广播给信宿，信宿包括合法用户及潜在的窃听用户，由于目的节点已知加扰信号，故可消除，其他窃听用户会被加扰信号影响，第一时隙中继所采集到的能量全部被用于第二时隙的信息转发，且中继在两个时隙均为半双工工作模式。系统中所有信道均采用瑞利衰落信道。

如图3所示，上述一种目的用户加扰的功分能量采集中继安全传输方案，具体包括以下步骤：

步骤1：中继采用可变增益放大转发协议，则目的用户表示为其中U＝{U₁,...,U_M}表示为M个目的用户的集合，表示中继与信宿间信道系数，窃听用户表示为其中表示中继与潜在窃听用户间信道系数；在第一时隙中，中继从所有目的用户节点U中选择一个信道功率增益最大的用户节点作为合法用户进行服务，剩余未被选中的用户均作为潜在的窃听用户，信源将有用信息发送给中继，合法用户发送加扰信号给中继，

步骤2：中继采用基于功率分配的能量采集技术将接收到信号的部分功率用于能量采集，中继在第一时隙采集的能量表示为：

其中η表示进行无线能量采集时的能量转换效率因子，T表示两个时隙传输的总时长，d_SR为信源到中继的距离，d_RB为中继到所选合法用户的距离，m表示路径损耗因子，h_SR为信源至中继的信道参数，h_RB为中继至合法用户的信道参数，ρ(0＜ρ＜1)表示采集功率分配因子，P_S为信源的发送功率，P_J为加扰信号的发送功率；

并且，第一时隙中继采集的能量全部用于第二时隙的信息传输，定义信源的发送功率与加扰信号的发送功率之间的关系为P_S＝βP和P_J＝(1-β)P，其中β(β≥0)为发送功率分配因子，P(P_S+P_J＝P)为中继接收到的功率；

步骤3：在第一时隙中，中继节点将接收到信号的另一部分功率用于接收来自信源发送的有用信息和目的和合法用户发送的加扰信号，中继接收信号的表达式为：

其中X_S为单位方差信源信号，X_J为单位方差加扰信号，n_R表示单位方差的加性白高斯噪声；

步骤4：当信号用于能量采集之后，且中继处于半双工的工作模式下，中继的发送功率表示为所以中继的发送功率为

步骤5：在第二时隙中，中继将接收到的信号广播给信宿，信宿接收信号表达式为其中i为信宿节点的数量，为中继到信宿之间的距离，为中继至信宿之间的信道参数，其中采用了可变增益放大转发协议的中继，其放大因子为其中

则信宿接收信号表达式化为：

其中

表示单位方差的加性白高斯噪声；

所选合法用户已知加扰信号，故可消除，则所选合法用户的接收信号表达式为：

所选合法用户的接收信噪比为：

潜在窃听用户的接收信号表达式为：

其中为中继到潜在窃听用户之间的距离，表示中继与潜在窃听用户间信道系数，n_R和均表示单位方差的加性白高斯噪声；

则窃听用户的接收信号表达式为：

其中

窃听用户的接收信噪比为：

根据以上各式进行中继向信宿广播信号。

在所述传输方案的第二时隙中，系统的瞬时安全速率表示为C_S＝[C_B-C_ε]⁺，其中[a]⁺表示max(a,0)，则可得基于瞬时安全速率的系统安全吞吐量为τ＝(1-α)C_S；

将各个系数代入系统安全吞吐量的表达式可得：

其中γ_SR＝|h_SR|²，γ_RB＝|h_RB|²，γ_Rε＝|h_Rε|²。

图4是展示在基于蒙特·卡洛仿真环境下，系统平均安全吞吐量随中继接收到的功率P增大以及信宿数量增大时的变化情况。从图中可以看出本方案的平均安全吞吐量随着中继接收到的功率P的增大而增加，且随着信宿节点的数量增大而增加，从而有效保障了系统的安全传输。仿真环境:采集功率分配因子ρ＝0.6，发送功率分配因子β＝0.2，信道衰落系数ρ＝2.7，能量转化效率η＝0.4，信源到中继的距离d_SR＝1，中继到信宿的距离蒙特·卡洛仿真次数 N_Monte＝1000000，所有信道平均信道增益均为1。

基于一次瞬时信道参数环境下，通过两次二分法，即可得出基于一次瞬时信道参数环境下，安全吞吐量取得的最优值以及所对应的ρ值以及β值，所述系统安全吞吐量中安全吞吐量取得的最优值以及所对应的ρ值以及β值的计算流程如下：

第一步、初始化，其中ρ的区间为[0,1]，β的区间为[0,1]；

第二步、令Δρ＝0.001，Δβ＝0.001，左区间ρ_min＝0，β_min＝0右区间ρ_max＝1，β_max＝1，循环次数ρ_k＝0，β_k＝0，阈值ò＝0.001，带入所述系统安全吞吐量的表达式得到安全吞吐量的表达式为：

其数值微分绝对值的形式分别为和

第三步、给定变量β初始值为0.2；

第四步、当时，如果则得到ρ_min＝ρ_m；如果则得到ρ_max＝ρ_m；再令ρ_k＝ρ_k+1，得ρ＝ρ_m；

第五步、当时，如果则得到ρ_min＝ρ_m，如果则得到ρ_max＝ρ_m；再令ρ_k＝ρ_k+1，得ρ＝ρ_m；

第六步、输出：ρ、β和τ(ρ,β)。

如图5所示，基于瞬时信道参数环境下通过二分法算法得出平均安全吞吐量的最优值与ρ＝0.5，β＝0.5得出的平均安全吞吐量进行比较的情况。从图中可以看出随着中继接收到的功率P的增大，二分法算法的曲线始终在ρ＝0.5，β＝0.5 曲线的上方，从而可知该算法是有益的。仿真环境:信道衰落系数ρ＝2.7，能量转化效率η＝0.4，信宿数量M＝2，信源到中继的距离d_SR＝1，中继到信宿的距离所有信道平均信道增益均为1。

如图6所示，是展示基于一次信道实现的环境下，通过两次二分法算法得出的循环次数与安全吞吐量的情况。从图中可以看出在两次二分法算法中，循环次数分别只要在第4次时和第7次时，算法就可以找到安全吞吐量的最优值，这与蒙特卡洛的万或百万次的仿真次数相比，算法是非常高效省时的。仿真环境:信道衰落系数ρ＝2.7，能量转化效率η＝0.4，信宿数量M＝2,信源到中继的距离d_SR＝1，中继到信宿的距离所有信道平均信道增益均为1。

Claims (4)

1.一种目的用户加扰的功分能量采集中继安全传输方案，该方案应用于多用户中继网络中，所述多用户中继网络包括信源、中继以及多个目的用户节点，所有节点均为单天线，其中中继为无源节点；其特征在于，所述传输方案包括：

在第一时隙，中继从所有目的用户节点中选择一个信道功率增益最大的用户节点作为合法用户进行服务，剩余未被选中的目的用户均作为潜在的窃听用户，信源将有用信息发送给中继，合法用户发送加扰信号给中继，中继节点将接收到信号的部分功率用于能量采集，剩余的另一部分功率用于接收来自信源发送的有用信息和合法用户发送的加扰信号；

在第二时隙，中继接收到的信号经放大处理，并利用采集的所有能量将信号广播给信宿，所述信宿包含合法用户和潜在的窃听用户。

2.如权利要求1所述的一种目的用户加扰的功分能量采集中继安全传输方案，其特征在于，所述传输方案具体包括以下步骤：

步骤1：中继采用可变增益放大转发协议，在第一时隙中，中继从所有目的用户节点中选择一个信道功率增益最大的用户节点作为合法用户进行服务，则合法用户表示为其中U＝{U₁,...,U_M}表示为M个目的用户的集合，表示中继与信宿间信道系数；目的用户中剩余未被选中的用户均作为潜在的窃听用户，则窃听用户表示为其中表示中继与潜在窃听用户间信道系数；

信源将有用信息发送给中继，合法用户发送加扰信号给中继；

步骤2：中继采用基于功率分配的能量采集技术将接收到信号的部分功率用于能量采集，中继在第一时隙采集的能量表示为：

其中η表示进行无线能量采集时的能量转换效率因子，T表示两个时隙传输的总时长，d_SR为信源到中继的距离，d_RB为中继到所选合法用户的距离，m表示路径损耗因子，h_SR为信源至中继的信道参数，h_RB为中继至合法用户的信道参数，ρ表示采集功率分配因子，且0＜ρ＜1，P_S为信源的发送功率，P_J为加扰信号的发送功率；

并且，第一时隙中继采集的能量全部用于第二时隙的信息传输，定义信源的发送功率与加扰信号的发送功率之间的关系为P_S＝βP和P_J＝(1-β)P，其中β为发送功率分配因子，且β≥0，P为中继接收到的功率，且P_S+P_J＝P；

步骤3：在第一时隙中，中继节点将接收到信号的另一部分功率用于接收来自信源发送的有用信息和目的和合法用户发送的加扰信号，中继接收信号的表达式为：

其中X_S为单位方差信源信号，X_J为单位方差加扰信号，n_R表示单位方差的加性白高斯噪声；

步骤4：当信号用于能量采集之后，且中继处于半双工的工作模式下，中继的发送功率表示为所以中继的发送功率为

步骤5：在第二时隙中，中继将接收到的信号广播给信宿，信宿接收信号表达式为其中i为信宿节点的数量，为中继到信宿之间的距离，为中继至信宿之间的信道参数，其中采用了可变增益放大转发协议的中继，其放大因子为其中

则信宿接收信号表达式化为：

其中

表示单位方差的加性白高斯噪声；

所选合法用户已知加扰信号，故可消除该信息，则所选合法用户的接收信号表达式为：

所选合法用户的接收信噪比为：

潜在窃听用户的接收信号表达式为：

其中为中继到潜在窃听用户之间的距离，表示中继与潜在窃听用户间信道系数，n_R和均表示单位方差的加性白高斯噪声；

则窃听用户的接收信号表达式为：

其中

窃听用户的接收信噪比为：

根据以上各式进行中继向信宿广播信号。

3.如权利要求2所述的一种目的用户加扰的功分能量采集中继安全传输方案，其特征在于，在所述传输方案的第二时隙中，系统的瞬时安全速率表示为C_S＝[C_B-C_ε]⁺，其中[a]⁺表示max(a,0)，则可得基于瞬时安全速率的系统安全吞吐量为τ＝(1-α)C_S；

将各个系数代入系统安全吞吐量的表达式可得：

其中γ_SR＝|h_SR|²，γ_RB＝|h_RB|²，γ_Rε＝|h_Rε|²。

4.如权利要求3所述的一种目的用户加扰的功分能量采集中继安全传输方案，其特征在于，基于一次瞬时信道参数环境下，所述系统安全吞吐量中安全吞吐量取得的最优值以及所对应的ρ值以及β值的计算流程如下：

第一步、初始化，其中ρ的区间为[0,1]，β的区间为[0,1]；

第二步、令Δρ＝0.001，Δβ＝0.001，左区间ρ_min＝0，β_min＝0右区间ρ_max＝1，β_max＝1，循环次数ρ_k＝0，β_k＝0，阈值ò＝0.001，带入所述系统安全吞吐量的表达式得到安全吞吐量的表达式为：

其数值微分绝对值的形式分别为和

第三步、给定变量β初始值为0.2；

第四步、当时，如果则得到ρ_min＝ρ_m；如果则得到ρ_max＝ρ_m；再令ρ_k＝ρ_k+1，得ρ＝ρ_m；

第五步、当时，如果则得到ρ_min＝ρ_m，如果则得到ρ_max＝ρ_m；再令ρ_k＝ρ_k+1，得ρ＝ρ_m；

第六步、输出：ρ、β和τ(ρ,β)。